от «кошачьего уса» до закона Мура — Офтоп на vc.ru
24 декабря 1947 года сотрудники Bell Telephone Laboratories Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли представили своим коллегам первый транзистор. К юбилею события рассказываем, как крошечный кусочек полупроводника изменил историю.
5872 просмотров
Изобретатели транзистора Уолтер Браттейн, Уильям Шокли и Джон Бардин (Bloomberg)
Предыстория. При чем здесь кошачьи усы?
Исследования полупроводников начались еще в первой половине 19 века с работ физиков Томаса Зибека и Майкла Фарадея. В 1833 году Фарадей описал странное поведение сульфида серебра: его сопротивление электрическому току падало при нагревании, тогда как сопротивление простых металлов росло. Наука об электричестве тогда только зарождалась, и полупроводники не вызвали интереса ученых.
К концу века ситуация стала меняться. В 1873 году инженер Уиллоуби Смит и его помощник Джозеф Мэй обнаружили, что сопротивление селена меняется в зависимости от степени освещенности: чем ярче свет, тем оно ниже.
В следующем, 1874 году, немецкий физик Карл Фердинанд Браун описал эффект выпрямления тока (то есть преобразования переменного тока в постоянный) полупроводниками — сульфидами металлов. Работа Брауна, как и труд Фарадея, оставался научным курьезом, пока не появилось радио. Оказалось, что открытый Брауном эффект позволяет легко обнаруживать радиоволны.
Первые детекторы радиоволн — когереры — были неудобны и могли принимать только сигналы радиотелеграфа. Полупроводниковые детекторы радиоволн, появившиеся благодаря работам Джагдиша Боше, Александра Попова и Гринлифа Пикарда, были лишены этих недостатков. Дальность приема радиоволн возросла, приемники стали меньше и надежнее, а еще стало возможно передавать по радио звук — так появились радиотелефон и радиовещание.
Детектор «кошачий ус» (Политехнический музей)
Детекторный приемник позволял принимать радиопередачи без батарей, используя саму энергию радиоволн. Главным минусом детекторного приемника была его капризность — на поверхности кристалла полупроводника нужно было найти точку, которая выпрямляла ток. Эту точку искали с помощью второго электрода — длинного и тонкого. Из-за внешнего сходства его называли
Радиовещание — «газета без бумаги и расстояний»
После окончания Первой мировой войны во всем мире начало развиваться радиовещание. Однако появившиеся тогда радиолампы были дороги, хрупки, быстро перегорали и требовали электрический ток для работы. По-настоящему массовыми стали детекторные приемники. Детекторный приемник был прост и дешев. Многие делали его сами — ведь даже полупроводник для детектора можно было сделать самому. И после появления более надежных и удобных ламповых приемников, детекторы оставались популярны.
Советский детекторный радиоприемник ПФ в фарфоровом корпусе. На корпусе написана характеристика, которую радио дал Ленин — «газета без бумаги и расстояний» (Большой музей)
Популярность детекторных приемников привела к тому, что многие начали экспериментировать с ними и получать необычные результаты. Еще в 1909 году английский ученый Уильям Икклз обнаружил, что детектор в определенных условиях может работать как генератор колебаний и усилитель.
В 1922 году сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев работал над увеличением чувствительности детекторов и обнаружил эффект усиления сигналов. Используя этот эффект, Лосев смог построить первый радиоприемник с усилителем на полупроводниках — кристадин, но из-за ненадежности он не получил распространения.
Радиоприемник кристадин Олега Лосева (Политехнический музей)
Наконец, в 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд запатентовал первый твердотельный усилитель, однако его попытки построить прибор не увенчались успехом.
Безуспешны были и попытки других ученых — Оскара Хейла, Роберта Поля, Рудольфа Хилша. Идея транзистора была проста, но воплотить ее без более глубокого понимания физики твердого тела оказалось невозможно.
Кванты и кремний
Создание транзистора потребовало объединения усилий теоретической физики, прикладной электротехники и химии. Эти дисциплины встретились в научно-исследовательской компании Bell Telephone Laboratories на излете 1930-х годов.
Уолтер Браттейн (The Nobel Prize)
Первым из изобретателей транзистора, поступивших на работу в Bell Labs, стал Уолтер Браттейн. Он учился в Университете Миннесоты, где лекции по квантовой механике читали ее отцы-основатели Эрвин Шредингер, Джеймс Франк и Арнольд Зоммерфельд. С 1929 года Браттейн работал в
В то время работа над физикой твердого тела успешно шла по всему миру.
К концу 1930-х годов физики-теоретики смогли создать удовлетворительную теорию полупроводников. Результаты этих работ становились быстро известны в научном мире благодаря журналам и конференциям. Студенты-физики тоже быстро усваивали новые знания. Одним из таких студентов был Уильям Шокли, поступивший на работу в
Уильям Шокли (Wired)
Как и Браттейн, Шокли начинал с изучения радиоламп. Однако вскоре директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли поручил Шокли изучить возможность создания полупроводниковых переключателей для замены электромеханических реле, которые тогда использовались в телефонных станциях.
Изучив опыт предшественников, Шокли понял, что невозможно создать полупроводниковый усилитель, внедряя управляющий электрод в массив полупроводника. Он начал работать в группе Браттейна, но с началом Второй мировой войны переключился на военные исследования, оставив работу над полупроводниками.
Кроме группы Браттейна, полупроводниками в Bell Labs занимались и другие исследователи. Например, химик Рассел Ол работал с кремнием, который должен был стать основой сверхвысокочастотных детекторов. Способов получения чистого кремния тогда не существовало, и Ол взялся за дело. К августу 1939 году он и его сотрудники смогли получить кремний с чистотой 99,8% . Детекторы из такого кремния проводили ток или из металлического контакта в кристалл, или из кристалла в контакт.
Однажды ученым попался необычный экземпляр заготовки для детектора — он сильно реагировал на свет, а его электрические параметры постоянно менялись. 6 марта 1943 года Ол продемонстрировал свою находку Браттейну и Келли. Браттейн догадался, что на свет реагирует барьер между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток. Ол и его коллега Дж. Скафф назвали эти слои «кремний p-типа» (от
До конца войны открытие p-n-перехода было засекречено по решению Келли.Кстати, в 1941 году независимо от американских физиков Вадим Лашкарёв предположил, что два типа проводимости разделены гипотетическим переходным слоем, препятствующим электрическому току.
Успех
Во время Второй мировой войны появились первые радары и радиолокаторы. Они работали с радиоволнами сверхвысоких частот, с которыми радиолампы не могли работать. Появилась потребность в иных компонентах, и исследования полупроводников ускорились.
В июне 1945 года Мервин Келли вновь создал группу по исследованию твердого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом. В группу вошли Браттейн и новый сотрудник фирмы Джон Бардин, а также многие другие физики, химики и инженеры.
Джон Бардин (Physics World)
Ознакомившись с работами военного времени (особую ценность представляли исследования германия, проведенные в американском Университете Пердью), Шокли сузил выбор полупроводников до германия и кремния.
В течение 1947 года отдел пытался устранить пространственный заряд. В ноябре Роберт Джибни предложил удачное решение — использовать для нейтрализации заряда напряжение, подаваемое через точечный управляющий электрод в жидком электролите. Работы резко ускорились: в ноябре — декабре Бардин, Джибни и Браттейн испытали не менее пяти разных конструкций полупроводникового усилителя.
Однако усилитель с жидким электролитом внутри был бы еще менее удобен, чем радиолампа. Бардин и Браттейн поняли, что от жидкости можно избавиться, если на поверхности полупроводника установить очень близко друг к другу два электрода. Расстояние между ними не должно было превышать 50 микрометров, тогда как самая тонкая доступная тогда проволока имела диаметр 125 микрометров.
Браттейн нашел остроумный выход из положения. 15 или 16 декабря 1947 года он наклеил на пластмассовой треугольник полоску золотой фольги, разрезал фольгу бритвой и получил зазор нужной ширины. 16 декабря Браттейн прижал контактный узел зазором к поверхности германиевой пластины, создав первый работоспособный точечный транзистор.
Первый транзистор (Computer History Museum)
23 декабря 1947 года на неофициальной презентации Браттейн продемонстрировал коллегам по Bell Labs транзисторный усилитель звуковых частот, а 24 декабря — первый транзисторный генератор, доказав, что транзистор может выполнять все функции радиолампы.
Транзистор, Нобель и Кремниевая долина
Узнав об изобретении, руководство Bell Labs временно засекретило проект. Публика узнала об изобретении транзистора 30 июня 1948 года на открытой презентации в Нью-Йорке.
За месяц до этого события в Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору названия нового прибора.
Среди вариантов были полупроводниковый, твердотельный и кристаллический триод, триод на поверхностных состояниях и йотатрон. Победил предложенный инженером Джоном Пирсом транзистор, образованный от слов transconductance (проводимость) или transfer (передача) и varistor (управляемое сопротивление).
Изобретатели транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн на обложке журнала Electronics 1948 года (Computer History Museum)
Выпуск транзисторов начался в 1948 году. Первые транзисторы изготавливались вручную, поэтому были хрупки и ненадежны. Однако их достоинства — размер, скорость работы, энергопотребление — оказались слишком важны в новых отраслях электроники. Вскоре выпуск транзисторов был налажен в промышленных масштабах. А количество выпущенных МОП-транзисторов превышает количество любых других созданных человеком устройств.
Группа изобретателей транзистора распалась уже в 1948 году, когда из Bell Labs ушел Роберт Джибни.
В 1951 году за ним последовал Джон Бардин. В 1955 году Уильям Шокли основал свою компанию по выпуску полупроводников в Калифорнии. Его неуживчивый характер привел к тому, что в 1957 году восемь его сотрудников — «вероломная восьмерка» — уволились и основали компанию Fairchild Semiconductor. Итогом этого конфликта стало создание современной Кремниевой долины (но это уже совсем другая история).
В 1956 году Бардин, Браттейн и Шокли получили Нобелевскую премию по физике, хотя сам Шокли обычно исключал себя из списка изобретателей транзистора и включал туда Джибни.
Вторые первые: транзистрон
У каждого крупного изобретения несколько создателей. Вспомнить хотя бы телефон, на изобретение которого претендуют десятки ученых и инженеров от Александра Белла (в честь которого и назвали Bell Labs) до Томаса Эдисона. Транзистор тоже изобретали дважды.
В 1944 году немецкий физик Герберт Матаре создал дуодиод — полупроводниковый выпрямитель с двумя точечными контактами, который проявлял свойства усилителя.
В июне 1948 года, до обнародования изобретения Бардина и Браттейна, усовершенствованный дуодиод продемонстрировал стабильное усиление. В июле 1948 года работами Матаре и его коллеги Генриха Велкера заинтересовался министр связи Франции Эжен Тома, он же дал новому прибору имя транзистрон.
Матаре и Велкер начали производство транзистронов в 1949 году, а в 1950 году продемонстрировали Шокли и Браттейну их работу. Однако вскоре французское правительство прекратило поддержку Матаре и Велкера. Матаре переехал в США, Велкер возглавил полупроводниковые исследования в компании Siemens.
Транзисторы лежат в основе современного мира. Без них не было бы компьютеров, интернета, спутников, смартфонов. Даже холодильники и стиральные машины сегодня нуждаются в них. Еще в 1950-х годах ученые смогли перейти от отдельных транзисторов к интегральным схемам — множеству транзисторов на одной пластинке полупроводника.
Тогда же Гордон Мур (кстати, один из «вероломной восьмерки») заметил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Сегодня это наблюдение известно как закон Мура. Многие утверждают, что мы вплотную подошли к естественному пределу, что невозможно уложить еще больше транзисторов на микрочип. Однако ученые работают и, быть может, скоро нас ждет еще одно великое открытие, подобное тому, которое случилось 75 лет назад.
Как был изобретен транзистор | В мире музыки
С 17 ноября до 23 декабря 1947 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин проводили эксперименты по исследованию полупроводников, в результате которых был изобретен «полупроводниковый триод», а 30 июня 1948 года Bell Laboratories официально представила это изобретение публике на прес-конференции, сменив слишком длинное название на более емкое транзистор. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим.
А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.
Копия первого в мире работающего транзистора
Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых.
Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».
Давние конкуренты
Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.
Транзисторный радиоприемник 1959 года
На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».
Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс.
В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.
Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948
В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».
Транзисторы в музыке
Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.
Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.
Современный макет транзистора Бардина и Браттейна
Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.
При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.
Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.
Categories СобытияTags интересности
Изобретение и история транзистора » Заметки по электронике
Когда в 1947 году был изобретен первый транзистор, это ознаменовало огромный скачок в развитии электронных технологий, поскольку он позволил полупроводниковым технологиям заменить термоэлектронные лампы и вакуумные лампы.
История транзистора Включает:
История транзистора
Первый кремниевый транзистор
Изобретение фототранзистора
изобретение полевого транзистора
Подробнее об истории полупроводников
История развития полупроводниковой техники
Изобретение диода с PN-переходом
Изобретение интегральной схемы
Незадолго до Рождества, 23 декабря 1947 года, команда Шокли, Бардина и Браттейна продемонстрировала свое новое изобретение транзистора с точечным контактом высшему руководству Bell Laboratories в США.
Никто не мог предположить, какое большое влияние изобретение транзистора окажет на электронную промышленность и, по сути, на весь мир. Прошла всего неделя с тех пор, как команде впервые удалось заставить устройство работать. Таким образом, датой изобретения транзистора можно назвать 16 декабря 19 г.47.
Изобретение первого транзистора было историей решимости среди ряда неудач; история настойчивости и окончательного успеха.
Это также напоминание о том, что хотя имена Шокли, Бардина и Браттейна связаны с изобретением транзистора, было много людей, которые поддержали их, и многие другие заложили основу для изобретения транзистора с точечным контактом. .
Старый транзистор OC71 — один из первых типов транзисторов, произведенных в ВеликобританииОсновы истории транзистора
Прежде чем изобрести транзистор, нужно было заложить множество основ.
Люди были знакомы с омическими проводниками в течение многих лет и понимали, как работают обычные резисторы, но был класс материалов, называемых полупроводниками, которые немного отличались. Еще в девятнадцатом веке было замечено, что эти полупроводники имеют отрицательный коэффициент удельного сопротивления, способны выпрямлять электрические токи и проявляют фотоэлектрический эффект.
Раннее применение полупроводников было в беспроводных устройствах, где использовались детекторы кошачьих усов или кристаллов.
Позже, во время Второй мировой войны, были заложены еще несколько основ, когда выпрямители на основе оксида меди и селена начали использоваться для выпрямления переменного тока.
Также работа над диодами с точечным контактом позволила обнаруживать или демодулировать микроволновые сигналы для радаров, которые использовали все более высокие частоты.
Еще одна основа, которая была заложена для изобретения транзистора в 19 веке.20-х и 1930-х годов были теоретические работы по субмолекулярной физике. Хотя изначально это было направлено на термоэлектронные устройства, то есть вакуумные трубки или вентили, оно оказало огромное влияние на понимание полупроводников.
Ранние открытия и патенты, связанные с транзисторами
Первый зарегистрированный патент на работу над транзистором был подан австро-венгерским физиком Юлиусом Лилиенфельдом 22 октября 1925 года в Канаде. Но, поскольку он не опубликовал никаких исследовательских публикаций об изобретении транзистора, промышленность проигнорировала его работу. Однако его работа определила то, что мы теперь называем полевым транзистором, и это было то, к чему стремилась команда, которая в конечном итоге начала работать над транзистором.
Позже, в 1934 году, немецкий физик Оскар Хейл подал заявку на патент на устройство, которое контролировало ток в цепи с помощью электрического поля — фактически полевой транзистор. Хотя это и не биполярное устройство, именно его начала исследовать первая команда Bell. Что же касается Хайля, то он не представил никаких реальных открытий, а его идеи носили лишь теоретический характер, в результате чего его работа не была отмечена в научном сообществе.
Работа транзистора начинается в Bell
Когда боевые действия стали приближаться к концу, в Bell Laboratories осознали большие возможности для полупроводниковых технологий. Весной 1945 года было созвано крупное совещание для обсуждения будущих исследований по ним — это был поворотный момент в истории транзисторов. Позже в том же году было предоставлено разрешение на проведение исследований с целью поиска «новых знаний, которые можно было бы использовать при разработке совершенно новых и улучшенных компонентов».
В результате была создана группа физики твердого тела под руководством Уильяма Шокли и Стэнли Моргана.
Шокли также возглавил подгруппу полупроводников, в которую должны были войти Браттейн и Бардин, чтобы составить трио, изобретшее транзистор.
Три транзистора
Тремя главными героями истории транзисторов были:
- Уильям Шокли:
Записка об Уильяме Шокли:
Он родился в Лондоне в 1910 году в семье американцев, но через три года они вернулись в США, поселившись недалеко от Сан-Франциско. Он получил свою первую степень в Калифорнийском технологическом институте, после чего перешел в Массачусетский технологический институт, чтобы получить степень доктора философии. в 1936. После окончания университета он перешел в Bell Labs, где возглавил команду, изобретшую первый транзистор. В своей жизни он продолжал изобретать другие устройства и создавать собственную компанию.
Подробнее о Уильям Шокли.
- Уолтер Браттейн:
Записка о Уолтере Браттейне:
Он родился в Китае, переехал в штат Вашингтон, когда его родители вернулись домой.
Он получил свою первую степень в колледже Уитмена в штате Вашингтон, а затем перешел в Университет Миннесоты, чтобы получить степень доктора философии. После университета Браттейн сначала работал в Национальном бюро стандартов, а затем перешел в Bell Labs, где он был одним из трех люди, которым приписывают изобретение первого транзистора.Подробнее о Уолтер Браттейн.
- Джон Бардин:
Примечание о Джоне Бардине:
Он родился в Висконсине в мае 1908 года, получил первую степень в Висконсинском университете, затем переехал в Принстон, чтобы получить степень доктора философии. После нескольких преподавательских должностей он присоединился к физике твердого тела. осенью 1945 года в Bell Laboratories, где он был одним из трех изобретателей первого транзистора. За свою жизнь он был удостоен двух Нобелевских премий: одну за работу над транзистором, другую за работу над сверхпроводниками.
Подробнее о Георг Ом.
Он получил свою первую степень в колледже Уитмена в штате Вашингтон, а затем перешел в Университет Миннесоты, чтобы получить степень доктора философии. После университета Браттейн сначала работал в Национальном бюро стандартов, а затем перешел в Bell Labs, где он был одним из трех люди, которым приписывают изобретение первого транзистора.
Когда подготовительная работа завершена и команда собрана, история транзистора переходит к фактическому изобретению транзистора.
Потребовалось много лет, чтобы провести всю подготовительную работу и создать команду, прежде чем можно было сделать фактическое изобретение или открытие транзистора.
Команда, изобретавшая транзистор, хорошо сработалась и, несмотря на некоторые первоначальные неудачи, добилась быстрого прогресса.
Среда, созданная Bell Labs, работала хорошо, и это обеспечило правильную атмосферу для изобретения транзистора.
Первые попытки изобретения транзистора
Группа полупроводников начала работу над одной из идей Шокли. Он пришел к выводу, что можно разработать форму полупроводникового триода. Он предусмотрел структуру слоев кремния p- и n-типа. Основной ток будет проходить в одном из слоев, и проводимость этого слоя будет контролироваться внешним полем. Это изменило бы количество носителей заряда (дырок или электронов), доступных для переноса тока.
По сути, этой идеей был полевой транзистор, который сегодня широко используется.
Чтобы создать структуру, чтобы проверить эту идею, Шокли использовал несколько тонких пленок кремния, которые были получены методом осаждения. Это сам по себе был новый процесс, который только что был разработан другим сотрудником Bell по имени Тил.
Используя новую структуру, Шокли ожидал значительного изменения проводимости по мере изменения контролирующего поля. К его большому разочарованию, эффекта не наблюдалось. Расчеты и теории проверялись и перепроверялись другими членами группы и не было найдено причин ее неудачи.
Проблема была решена только в марте 1946 года. Бардин полагал, что поверхность полупроводника захватывает электроны, которые экранируют основной канал от воздействия внешнего поля. Позже Шокли сказал, что это открытие было одним из самых значительных достижений во всей программе полупроводников.
Изменение направления
Предположительно побежденная захваченными электронами, группа сменила направление.
Они обратили свое внимание на исследования PN-переходов с обратным смещением в попытке разработать новый тип грозового разрядника. Исследования вращались вокруг трехслойных структур с одним соединением, смещенным вперед и одним обратным смещением, и работа над этим продолжалась в течение большей части 19 лет.47.
Ближе к концу того же года события для группы пошли в гору. В ноябре у новичка в команде появилась важная идея. Возвращаясь к их более ранней работе над полевыми устройствами, он предположил, что если между контрольной пластиной и каналом проводимости поместить электролит, то экранирующий эффект захваченных электронов можно будет преодолеть. Был поставлен новый эксперимент, и он увенчался успехом, хотя и в ограниченной степени. Достигнув определенного успеха, команда обрела новый уровень мотивации. В последующие дни обсуждалось множество идей для возможных усилительных устройств.
Изобретение транзистора
В начале декабря Бардин и Браттейн начали экспериментировать с двумя близко расположенными точечными контактами в качестве новой идеи изобретения транзистора.
Они обнаружили, что при прямом смещении одного и обратном смещении другого было замечено небольшое усиление.
Вскоре команда начала дальнейшие эксперименты, основанные на этой идее, но поначалу они не смогли должным образом использовать эффект транзистора. В одном эксперименте вокруг образца даже был помещен электролит, но с каждым новым испытанием они становились на шаг ближе к открытию полного транзисторного эффекта.
В конце концов решили, что необходимо разместить два диодных перехода на расстоянии примерно 0,05 мм друг от друга. Первоначально идея казалась невозможной, так как было невозможно разместить два точечных контакта так близко друг к другу.
Однако решение было найдено на удивление легко. Слой золота был нанесен на небольшой клин из плексигласа. Затем лезвием бритвы сделали очень тонкую прорезь в золоте прямо на острие клина. Затем клин помещался на слой германия под действием небольшой пружины. Коллектор и эмиттер были образованы двумя золотыми контактами, а слой германия был базовым контактом.
Идея была опробована 16 декабря 1947 года и, к их удивлению, сработала с первого раза. Был изготовлен первый точечный транзистор и изобретен первый транзистор.
Схема установки для первого транзистораРовно через неделю Шокли, Бардин и Браттейн продемонстрировали новое изобретение транзистора сотрудникам лаборатории и высшему руководству Bell. Шокли назвал это «великолепным рождественским подарком».
Изобретение транзистора ознаменовало начало эпохи транзисторов. Однако потребовалось еще много разработок, прежде чем эти устройства могли стать повседневной реальностью.
Официальное сообщение об изобретении транзистора
Хотя изобретение транзистора вызвало большой ажиотаж, только 30 июня 1948 года Bell Labs публично объявила о новом устройстве, которое Джон Пирс назвал транзистором.
Название «транзистор» произошло от сочетания слов «крутопроводность» или «передача» и «варистор». Варисторный элемент слова был использован, потому что устройство логически принадлежит к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточный импеданс устройства, имеющего усиление.
В сообщении Bell Labs говорится, что изобретение транзистора «может иметь далеко идущее значение в электронике и электрических коммуникациях».
Устройство также было запатентовано, и, что интересно, на нем были названы Бардин и Браттейн, а не Шокли.
Изобретение параллельного транзистора
Как и многие другие изобретения в истории, аналогичные работы проводились и в других частях земного шара, и почти в то же время во Франции был изобретен транзистор с точечным контактом.
Два немецких физика. В 1948 году Герберт Матаре и Генрих Велькер активно участвовали в разработке немецких радаров во время Второй мировой войны, работая в лабораториях Telefunken. Матаре работал в основном в Берлине, а Велкер жил в Мюнхене.
В рамках этой работы Матаре исследовал кристаллические выпрямители, изготовленные как из германия, так и из кремния, а Велкер работал над методами очистки германия.
После окончания войны оба работали в дочерней компании Westinghouse под названием Compagnie des Freins et Signaux.
Их целью была разработка и производство твердотельных выпрямителей.
В 1947 г., когда работа в США шла полным ходом, Матаре исследовал явление, при котором два очень близко расположенных точечных контакта могут мешать друг другу или влиять друг на друга, что он наблюдал во время войны.
В начале 1948 года Матаре удалось добиться результатов, в которых он иногда видел некоторое усиление. К середине 1948 года работа Велкера по производству кристаллов гораздо более высокого уровня чистоты позволила получить гораздо лучшие результаты. чтобы получить.
Сразу после того, как им удалось завершить свою работу и добиться надежной работы этих новых устройств, они узнали об изобретении транзистора в Bell Labs в США.
В связи с этим известием из США изобретенный во Франции «транзистор» был спешно запущен в производство и назван «транзитроном». Производство этих устройств вскоре было расширено, и они широко использовались во французской телефонной системе.
После того, как первые транзисторы были продемонстрированы и объявлены, именно устройство Bell Laboratories стало де-факто первым транзистором, но, глядя на производительность обоих устройств, было очевидно, что требуется гораздо больше работы, чтобы транзисторная технология стала основной.
устройство для электронной промышленности.
Изобретение первого транзистора было лишь первым шагом на пути к полупроводниковой технологии, которой мы все наслаждаемся сегодня.
| Ключевые факты об изобретении транзистора | |
|---|---|
| Атрибут | Детали |
| Дата изобретения транзистора | 16 декабря 1947 г. (дата, когда впервые заработал точечный транзистор) |
| Дата продемонстрирована высшему руководству | 23 декабря 1947 г. |
| Тип транзистора | Транзистор с точечным контактом (двойные точечные контакты) |
| Используемый материал | Германий |
| Основные члены команды | Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн |
| Место изобретения транзистора | Лаборатории Белла, США |
Еще История:
Хронология истории радио
История радио
История любительского радио
Когерер
Хрустальное радио
Магнитный детектор
Датчик искры
телеграф Морзе
История клапана / трубки
Изобретение диода с PN-переходом
Транзистор
Интегральная схема
Кристаллы кварца
Классические радиоприемники
История мобильных телекоммуникаций
Старинные мобильные телефоны
Вернуться в меню «История».
. .
Как работал первый транзистор
На рекламном фото AT&T 1955 года показаны [на ладони слева] фототранзистор, переходной транзистор и точечный транзистор.
Ламповому триоду не исполнилось и 20 лет, когда физики начали попытки создать его преемника, и ставки были огромными. Триод не только сделал возможным междугородную телефонную связь и звук фильмов, но и стал движущей силой всего предприятия коммерческого радио, индустрии стоимостью более миллиарда долларов в 1929 году. Но электронные лампы были энергоемкими и хрупкими. Если бы можно было найти более прочную, надежную и эффективную альтернативу триоду, вознаграждение было бы огромным.
Цель состояла в том, чтобы создать трехконтактное устройство из полупроводников, которое принимало бы слаботочный сигнал на входной терминал и использовало его для управления потоком большего тока, протекающего между двумя другими терминалами, тем самым усиливая исходный сигнал. В основе такого устройства лежит так называемый эффект поля — способность электрических полей модулировать электропроводность полупроводниковых материалов.
Эффект поля был уже хорошо известен в те дни благодаря диодам и связанным с ними исследованиям в области полупроводников.
Но создание такого устройства оказалось непреодолимой проблемой для некоторых ведущих физиков мира на протяжении более двух десятилетий. Патенты на транзистороподобные устройства были поданы. начиная с 1925 года, но первым зарегистрированным экземпляром работающего транзистора было легендарное точечное устройство, построенное в AT&T Bell Telephone Laboratories осенью 1947 года.
Хотя транзистор с точечным контактом был самым важным изобретением 20-го века, как ни удивительно, не существует четкого, полного и авторитетного описания того, как эта штука работала на самом деле. Современные, более надежные переходные и планарные транзисторы основаны на физике объема полупроводника, а не на поверхностных эффектах, использовавшихся в первом транзисторе. И этому пробелу в науке уделялось относительно мало внимания.
..»> На фото в разрезе точечного контакта видны два тонких проводника; они соединяются с точками, которые вступают в контакт с крошечной пластиной германия. Одна из этих точек является эмиттером, а другая коллектором. Третий контакт, основание, прикреплен к обратной стороне германия. AT&T АРХИВ И ЦЕНТР ИСТОРИИ
Это была неуклюжая сборка из германия, пластика и золотой фольги, увенчанная волнистой пружиной. Его изобретателями были тихий теоретик со Среднего Запада Джон Бардин, многословный и «
несколько изменчивый» экспериментатор Уолтер Браттейн. Оба работали под руководством Уильяма Шокли, отношения, которые позже оказались спорными. 19 ноября47, Бардин и Браттейн зашли в тупик из-за простой проблемы. В германиевом полупроводнике, который они использовали, поверхностный слой электронов, казалось, блокировал приложенное электрическое поле, препятствуя его проникновению в полупроводник и модулируя поток тока. Без модуляции, без усиления сигнала.
Где-то в конце 1947 года они нашли решение. На нем были изображены два едва разделенных кусочка золотой фольги, мягко вставленные этой волнистой пружиной в поверхность небольшой пластины германия.
Как учебники, так и популярные отчеты, как правило, игнорируют механизм точечного транзистора в пользу объяснения того, как работают его более поздние потомки. В самом деле, нынешнее издание этой библии студентов EE, The Art of Electronics Горовица и Хилла вообще не упоминает точечный транзистор, замалчивая его существование, ошибочно заявляя, что транзистор с переходом был «изобретением, получившим Нобелевскую премию в 1947 году». А вот транзистор, который изобрели в 1947 был точечным контактом; переходной транзистор был изобретен Шокли в 19 48 .
Поэтому кажется уместным, что наиболее полное объяснение транзистора с точечным контактом содержится в
Лекция Джона Бардина для этой Нобелевской премии в 1956 году. Тем не менее, читая ее, вы чувствуете, что несколько мелких деталей, вероятно, ускользнули даже от самих изобретателей.
«Многих людей смутил точечный транзистор, — говорит Томас Миса, бывший директор Института истории науки и техники Чарльза Бэббиджа Миннесотского университета.
Как учебники, так и популярные отчеты, как правило, игнорируют механизм точечного транзистора в пользу объяснения того, как работают его более поздние потомки.
Через год после лекции Бардина Р. Д. Миддлбрук, профессор электротехники в Калифорнийском технологическом институте, впоследствии сделавший новаторскую работу в области силовой электроники, писал: «Из-за трехмерной природы устройства теоретический анализ затруднен, а внутренняя работа фактически еще не полностью понята».
Тем не менее, благодаря 75-летнему опыту теории полупроводников, поехали. Точечный транзистор был построен на пластине размером с большой палец. n — германий типа, имеющий избыток отрицательно заряженных электронов. Эта плита была обработана для получения очень тонкого поверхностного слоя типа p , что означает, что он имел избыток положительных зарядов.
Эти положительные заряды известны как дырок. На самом деле они представляют собой локализованные недостатки электронов, которые перемещаются среди атомов полупроводника почти так же, как реальная частица. Электрически заземленный электрод был прикреплен к нижней части этой плиты, создавая база транзистора. Две полоски золотой фольги, соприкасающиеся с поверхностью, образовали еще два электрода, известные как эмиттер и коллектор .
Это установка. При работе к эмиттеру прикладывается небольшое положительное напряжение — всего доли вольта, а к коллектору прикладывается гораздо большее отрицательное напряжение — от 4 до 40 вольт, и все это относительно заземленной базы. Интерфейс между p -тип слоя и n 9Пластина типа 0270 создала переход, точно такой же, как в диоде: по сути, переход представляет собой барьер, который позволяет току легко течь только в одном направлении, к более низкому напряжению. Таким образом, ток может течь от положительного эмиттера через барьер, в то время как ток не может течь через этот барьер в коллектор.
Точечный транзистор Western Electric Type-2 был первым транзистором, который производился в больших количествах в 1951 году на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания.60, когда был сделан этот снимок, завод переключился на выпуск транзисторов с переходом. AT&T АРХИВ И ЦЕНТР ИСТОРИИ
Теперь давайте посмотрим, что происходит внутри атомов. Сначала отключим коллектор и посмотрим, что происходит вокруг эмиттера без него. Эмиттер инжектирует положительные заряды — дырки — в p типа слоя, и они начинают двигаться к основанию. Но они не стремятся к этому. Тонкий слой вынуждает их распространяться в стороны на некоторое расстояние, прежде чем пройти через барьер в н — плита. Представьте, что вы медленно высыпаете небольшое количество мелкого порошка на поверхность воды. Порошок в конце концов тонет, но сначала растекается неровным кругом.
Теперь подключаем коллектор. Несмотря на то, что он не может сам по себе пропускать ток через барьер p — n переход, его большое отрицательное напряжение и заостренная форма действительно приводят к концентрированному электрическому полю, проникающему в германий. Поскольку коллектор находится так близко к эмиттеру, а также отрицательно заряжен, он начинает поглощать многие дырки, которые расходятся от эмиттера. Этот поток заряда приводит к концентрации дырок вблизи p — n барьер под коллектор. Эта концентрация эффективно снижает «высоту» барьера, который в противном случае препятствовал бы протеканию тока между коллектором и базой. Когда барьер опущен, ток начинает течь от базы к коллектору — гораздо больший ток, чем тот, который эмиттер пропускает через транзистор.
Величина тока зависит от высоты барьера. Небольшие уменьшения или увеличения напряжения эмиттера вызывают колебание барьера вверх и вниз соответственно. Таким образом, очень маленькие изменения в токе эмиттера контролируют очень большие изменения в коллекторе, так что вуаля! Усиление.
(Эксперты заметят, что функции базы и эмиттера поменялись местами по сравнению с более поздними транзисторами, где база, а не эмиттер, управляет откликом транзистора.)
Каким бы неуклюжим и хрупким он ни был, был полупроводниковым усилителем, и его потомство изменит мир. И его изобретатели знали это. Судьбоносный день наступил 16 декабря 1947 года, когда Браттену пришла в голову идея использовать пластиковый треугольник, опоясанный полоской золотой фольги, с крошечной щелью, разделяющей контакты эмиттера и коллектора. Эта конфигурация давала надежный прирост мощности, и тогда дуэт понял, что им это удалось. Той ночью в своем автобазе Браттейн сказал своим товарищам, что он только что провел «самый важный эксперимент, который я когда-либо делал в своей жизни», и поклялся им хранить тайну. Неразговорчивый Бардин тоже не удержался от того, чтобы не поделиться новостью. Когда его жена Джейн готовила ужин в тот вечер, он, как сообщается, просто сказал: «Сегодня мы кое-что обнаружили».
Когда их дети бегали по кухне, она ответила: «Это мило, дорогой».
Наконец-то это был транзистор, но он был довольно хлипким. Позже изобретатели пришли к идее электрического формирования коллектора путем пропускания через него больших токов во время изготовления транзистора. Этот метод позволил им получить несколько большие потоки тока, которые не были так тесно ограничены поверхностным слоем. Однако электрическая формовка была немного случайной. «Они просто выбрасывали те, которые не работали», — отмечает Миса.
Тем не менее,
точечные транзисторы начали производить многие компании по лицензии AT&T, а в 1951, в собственном производственном подразделении AT&T, Western Electric. Они использовались в слуховых аппаратах, осцилляторах, аппаратуре телефонной маршрутизации, в экспериментальном телевизионном приемнике, построенном в RCA, и в Tradic, первом бортовом цифровом компьютере, среди других систем. Фактически, транзисторы с точечным контактом производились до 1966 года, отчасти из-за их более высокой скорости по сравнению с альтернативами.
Судьбоносный день наступил 16 декабря 1947 года, когда Браттену пришла в голову идея использовать пластиковый треугольник, опоясанный полоской золотой фольги…
Группа Bell Labs была не одинока в своем успешном поиске транзистора. В Ольне-су-Буа, пригороде к северо-востоку от Парижа, два немецких физика, Герберт Матаре и Генрих Велькер, также пытались построить полупроводниковый усилитель с тремя выводами. Работая на французскую дочернюю компанию Westinghouse, они следили за очень интригующие наблюдения, которые Матаре сделал при разработке германиевых и кремниевых выпрямителей для немецкой армии в 1944 году. 19 июня им обоим удалось создать надежный транзистор с точечным контактом.48.
Они были поражены, когда через неделю или около того лаборатория Белла, наконец, сообщила новости о своем собственном транзисторе на пресс-конференции 30 июня 1948 года. Хотя они были разработаны совершенно независимо и в тайне, эти два устройства были более или менее идентичными.
.
Здесь история транзистора принимает странный оборот, захватывающий своим великолепием и волнующий своими деталями. Босс Бардина и Браттейна, Уильям Шокли был в ярости из-за того, что его имя не было включено в первоначальную патентную заявку на транзистор вместе с именами Бардина и Браттейна. Он был убежден, что Бардин и Браттейн просто превратили его теории об использовании полей в полупроводниках в свое рабочее устройство и не отдали ему должного должного внимания. Еще в 19В 45 году Шокли построил транзистор на основе этих самых теорий, и он не сработал.
В 1953 году инженер RCA Джеральд Херцог возглавил команду, которая спроектировала и построила первый «полностью транзисторный» телевизор (хотя, да, у него была электронно-лучевая трубка). Команда использовала точечные транзисторы, произведенные RCA по лицензии Bell Labs. МУЗЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ ДЖЕРРИ ХЕРЦОГ УСТНАЯ ИСТОРИЯ
В конце декабря, всего через две недели после первоначального успеха точечного транзистора, Шокли отправился в Чикаго на ежегодное собрание Американского физического общества.
В канун Нового года, запершись в своем гостиничном номере и подпитываемый мощной смесью ревности и негодования, он начал разрабатывать собственный транзистор. За три дня он написал
около 30 страниц заметок. К концу месяца у него был базовый проект того, что впоследствии стало известно как транзистор с биполярным переходом, или BJT, который в конечном итоге вытеснил транзистор с точечным контактом и оставался доминирующим транзистором до конца 19 века.70-е годы.
Опираясь на результаты работы Bell Labs, RCA начала разработку собственных точечных транзисторов в 1948 году. Группа включала семь показанных здесь транзисторов, четыре из которых использовались в экспериментальном 22-транзисторном телевизоре RCA, построенном в 1953 году. Этими четырьмя были TA153 [верхний ряд, второй слева], TA165 [вверху, крайний справа], TA156 [нижний ряд, в центре] и TA172 [внизу, справа]. МУЗЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ КОЛЛЕКЦИЯ ДЖОНАТАНА ХОППЕ
БЯТ был основан на убеждении Шокли в том, что заряды могут и должны течь через объемные полупроводники, а не через тонкий слой на их поверхности.
Устройство состояло из трех полупроводниковых слоев, наподобие бутерброда: эмиттера, базы посередине и коллектора. Их попеременно легировали, поэтому версий было две: n -тип/ p -тип/ n -тип, называемый «NPN» и p -тип/ n -тип/ p -тип, называемый «PNP».
BJT основан на тех же принципах, что и точечный контакт, но использует два p — n переходов вместо одного. При использовании в качестве усилителя положительное напряжение, подаваемое на базу, позволяет небольшому току протекать между ней и эмиттером, который, в свою очередь, контролирует большой ток между коллектором и эмиттером.
Рассмотрим устройство NPN. База р-типа , поэтому в нем есть лишние отверстия. Но он очень тонкий и слегка легированный, поэтому дырок относительно мало. Крошечная часть втекающих электронов соединяется с этими отверстиями и удаляется из циркуляции, в то время как подавляющее большинство (более 97 процентов) электронов продолжает течь через тонкое основание в коллектор, создавая сильный ток.
Но те немногие электроны, которые объединяются с дырками, должны быть удалены из базы, чтобы поддерживать р — характер основания и сильное протекание тока через него. Это удаление «захваченных» электронов достигается за счет относительно небольшого тока через базу. Эта струйка тока обеспечивает гораздо более сильный поток тока в коллектор, а затем из коллектора в цепь коллектора. Таким образом, малый ток базы управляет большой цепью коллектора.
Электрические поля вступают в игру, но они не модулируют ток, что, как полагали ранние теоретики, должно было произойти, чтобы такое устройство функционировало. Вот суть: оба p — n переходы в BJT окружены обедненными областями, в которых объединяются электроны и дырки и относительно мало подвижных носителей заряда. Напряжение, приложенное к соединениям, создает электрические поля в каждом из них, которые перемещают заряды через эти области. Эти поля позволяют электронам проходить весь путь от эмиттера через базу к коллектору.
В BJT «приложенные электрические поля влияют на плотность носителей, но поскольку этот эффект является экспоненциальным, требуется совсем немного, чтобы создать большой диффузионный ток», — объясняет Иоаннис «Джон» Кимиссис, заведующий кафедрой электротехники. в Колумбийском университете.
BJT был более прочным и надежным, чем транзистор с точечным контактом, и эти особенности сделали его величие. Но потребовалось некоторое время, чтобы это стало очевидным. BJT был технологией, которая использовалась для создания интегральных схем, начиная с первых в начале 1960-х и вплоть до конца 1970-х, когда на смену пришли полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Фактически, именно эти полевые транзисторы, сначала полевой транзистор с переходом, а затем полевые МОП-транзисторы, наконец осуществили давнюю мечту о трехвыводном полупроводниковом устройстве, работа которого была основана на эффекте поля — первоначальной цели Шокли.
Такое славное будущее едва ли можно было представить в начале 1950-х годов, когда AT&T и другие компании изо всех сил пытались найти практичные и эффективные способы производства новых биполярных транзисторов.
Сам Шокли буквально поместил кремний в Силиконовую долину. Он переехал в Пало-Альто и в 1956 году основал компанию, которая возглавила переход от германия к кремнию как предпочтительному электронному полупроводнику. Сотрудники его компании впоследствии основали Fairchild Semiconductor, а затем Intel.
Позже в своей жизни, потеряв свою компанию из-за своего ужасного управления, он стал профессором в Стэнфорде и начал пропагандировать необоснованные и беспринципные теории о расах, генетике и интеллекте. В 1951 году Бардин покинул Bell Labs, чтобы стать профессором Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, где он получил вторую Нобелевскую премию по физике за теорию сверхпроводимости. (Он единственный человек, получивший две Нобелевские премии по физике.) Браттейн оставался в Bell Labs до 19 лет.67 лет, когда он поступил на факультет Уитмен-колледжа в Уолла-Уолла, штат Вашингтон.
Шокли умер практически без друзей в 1989 году. Но его транзистор изменил мир, хотя еще в 1953 году еще не было ясно, будет ли будущее за БЮТ.
